Akışkanlar mekaniği

Akışkanlar mekaniği, akışkanların (sıvılar, gazlar ve plazmalar) davranışlarını ve onlara etkiyen kuvvetleri inceleyen fizik dalı. Makine, inşaat, kimya ve biyomedikal gibi mühendislik dallarının yanı sıra jeofizik, okyanus bilimi, meteoroloji, astrofizik ve biyoloji gibi farklı birçok disiplinde kullanılır.

Durağan hâldeki akışkanların incelendiği akışkanlar statiği ve hareket hâlindeki akışkanların incelendiği akışkanlar dinamiği olmak üzere ikiye ayrılır. Bunun dışında deneysel yaklaşımlar da mevcuttur.

Akışkanlar mekaniği çalışmaları; Antik Yunanistan'da Arşimet'in akışkanlar statiği araştırmalarına kadar gitmekle beraber, akışkanlar mekaniği üzerine ilk çalışma kabul edilen Arşimet Prensibi'ne kadar dayanan bir geçmişe sahiptir. Akışkanlar mekaniğindeki hızlı gelişme; Leonardo da Vinci (gözlem ve deneyler), Evangelista Torricelli (barometrenin icadı), Isaac Newton(viskozite araştırmaları) ve Blaise Pascal (hidrostatik araştırmaları ve Pascal yasası) ile başlamıştır. Hidrodinamikteki matematiksel akışkan dinamiğine girmesi ile Daniel Bernoulli tarafından devam ettirilmiştir.

Tarihi
Akışkanlarla ilgili bilinen ilk çalışmalar Arşimet (MÖ 285-212) tarafından yapılmıştır. Arşimet suyun kaldırma kuvvetinden hareketle, akışkanlar için bir takım hesaplama yöntemleri geliştirmiştir. Ancak, akışkanlarla ilgili esas gelişmeler Rönesans'tan sonra olmuştur.

Akışkanlar mekaniğinde en önemli gelişmeyi Leonardo da Vinci (1452-1519) yapmıştır. Vinci, tek boyutlu-sürekli akış için süreklilik denklemini çıkararak dalga hareketleri, jet akışları, hidrolik sıçramalar, eddy oluşumu ve sürüklenme kuvvetleri hakkında bilgiler vermiştir.

Isaac Newton'ın (1642-1727) yerçekimi kanununu bulmasından sonra yerçekimi ivmesi de hesaplara katılmıştır. Sürtünmesiz akışlarda en önemli gelişmeleri Daniel Bernoulli (1700-1782), Leonard Euler (1707-1783), Joseph-Louis Lagrange (1736- 1813) ve Pierre-Simon Laplace (1749-1827) yapmışlardır. Euler şimdi Bernoulli denklemi olarak bilinen bağıntıları ilk geliştirendir. Açık kanal akışları, boru akışları, dalgalar, türbinler ve gemi sürüklenme katsayıları üzerinde Antonie de Chezy (1718-1789), Henri Pitot (1695-1771),Wilhelm Eduard Weber (1804-1891), James Bicheno Francis (1815- 1892), Jean Léonard Marie Poiseuille (1799-1869) yaptıkları deneysel çalışmalarla akışkanlar mekaniğinin geliştirilmesinde önemli katkılarda bulunmuşlardır.

William Froude (1810-1879) ve oğlu Robert (1846-1924) modelleme kanunlarını geliştirmesinden sonra, Lord Rayleigh (1842-1919) boyut analizi tekniğini ve Osborne Reynolds (1842-1912) klasik boru deneyini (1883) geliştirerek akışkanlar mekaniğinde çok önemli olan boyutsuz sayıları bulmuşlardır. Claude-Louis Navier (1785-1836) ve George Gabriel Stokes (1819-1903) akış denklemine sürtünme terimlerini de ilave ederek, bütün akışları analiz etmede başarıyla uygulanan ve günümüzde Navier-Stokes denklemleri olarak bilinen momentum denklemlerini bulmuşlardır.

Ludwig Prandtl (1875-1953) yüzeye yakın yerlerde sınır tabakanın (1904) etkili olduğunu onun dışında ise sürtünme kuvvetlerinin olmadığı durumlarda Bernoulli denkleminin uygulanabileceğini göstermiştir. aynı şekilde çok geniş teorik ve deneysel çalışmalar Theodore von K%C3%A1rm%C3%A1n (1881-1963) ve Geofrey Taylor (1886-1975)'un yanında pek çok araştırmacı tarafından da yapılmış ve yapılmaktadır.

Sürekli ortamlar mekaniğiyle ilişkisi
Akışkanlar mekaniği, aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi sürekli ortamlar mekaniğinin alt disiplinidir.


Mekanik bakış açısıyla, akışkanlar kayma gerilmesine dayanamazlar, bu sebeple durağan hâldeyken bulundukları kabın şeklini alırlar. Durağan denge hâlindeki bir akışkanın kayma gerilmesi sıfırdır.

Akışkanların davranışı
Sıkıştırılabilir akışkanlar
Sıkıştırılamayan akışkanlar

Akış formları
Laminer akış
Türbülanslı akış

Akışkan çeşitleri
Sürtünmesiz akışkanlar
Viskoz akışkanlar

Kullanım alanları
Metalurji ve malzeme mühendisliği
Döküm
Uzay ve havacılık
Otomobil endüstrisi
Gemi yapımı
Tekne yapımı
Çevre mühendisliği
Makine mühendisliği
Kimya mühendisliği
Enerji sistemleri mühendisliği
Kimya endüstrisi
Jeofizik
Astrofizik
Bina aerodinamiği
Maden mühendisliği
Nükleer enerji mühendisliği
Hastaneler
Endüstriyel tasarım mühendisliği

İletken türleri
Borulardaki akışlar
Kanallardaki akışlar
Sızıntı akışı

Akışkanlar dinamiğinde herhangi bir akışı tarif etmek için çok çeşitli hesap yöntemleri kullanılmaktadır.
Potansiyel akışlar
Girdap akışları
Sınır tabaka teorisi
Benzerlik teorisi
Çok fazlı akış

Kaynakça